考虑次生故障差异化影响下韧性主动提升的输电系统网架重构策略
李少岩1，赵汉广1，顾雪平1，何剑2，屠竞哲2，冀鲁豫2
(1.华北电力大学电气与电子工程学院；2.中国电力科学研究院有限公司)
DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.222558
在“碳达峰、碳中和”战略指引下，我国能源电力加速转型，新能源占比日益提高，新形态电力系统安全稳定呈现新的复杂特征。在极端自然灾害、地缘政治以及突发公共事件等复杂外部因素的影响下，电力系统常规安全风险与非常规安全风险交织。制定和完善快速、稳健的系统停电恢复方案，提升系统安全性与韧性，已成为重大和紧迫的国家需求。“3.21”巴西大停电等事故充分说明，在复杂网架重构过程中若能使系统抗扰性持续保持较高水平，对实现安全、快速的恢复过程具有重要意义，也亟待进一步研究。
随着全球范围内极端灾害威胁的增加，电力系统在极端灾害下的应对措施已成为近些年国内外学者关注的热点问题。已有研究中，缺乏对已恢复元件再次故障的考量，恢复过程中系统可能由于抗扰能力不足而再次崩溃。可见，在评估恢复阶段中系统韧性水平时，不仅需要考虑恢复进程的快速性，还需充分计及已恢复元件再故障为代表的系统安全风险。针对已有研究的不足，本文将电力系统韧性的概念应用于电力系统在恢复过程中抗扰动能力的评估，并基于新提出的韧性评价指标实现考虑系统韧性主动提升的网架重构决策。
建立了恢复过程中的韧性评价指标。本文引入PMRM对网架重构中系统状态进行风险分析和韧性评估，将负荷损失划分到低、中、高风险区间，并认为其中造成中、高损失的次生故障是系统的主要风险压力。通过优化网架重构恢复方案，减小中、高损失次生故障的影响，将保障系统实现稳健的恢复过程。
网架重构阶段是一个多时段的复杂过程，并且本文考虑了次生故障的影响，导致所建立的全局优化模型的求解空间决策域过大，模型直接求解困难，难以在实际电网中应用。
针对此问题，本文提出一种网架重构决策过程中的窗口滚动机制，在缩小求解空间的同时，充分考虑了未来可能发生的高风险次生故障。窗口滚动机制首先指定一个固定的滚动窗口，在该窗口内建立并求解短期优化模型，然后不断更新窗口边界并移动滚动窗口，直至网架重构过程全部完成。窗口滚动机制紧密适应极端事件下的恢复过程，充分考虑了故障时设备的可用性，而且采用短期目标，既避免了计算资源的浪费，又具有一定的全局性。
图1 窗口滚动机制示意图
基于窗口滚动机制，在目标函数的驱动下，模型根据系统恢复状态协调和兼顾快速性及稳健性，在对未来可能发生的次生故障的判断中，优化并调整网架结构，提高系统面对高风险事件时的“存活”能力。
采用新英格兰10机39节点系统为算例验证所提方法的有效性。首先，采用窗口滚动机制大大提高了模型的计算效率，模型计算时间由6195s降低到17s。其次，在系统恢复速度基本相同的情况下，考虑韧性主动提升的优化策略明显降低了次生故障导致的高失负荷量场景，所得系统对严重次生故障的抵御能力更强。
图2 新英格兰10机39节点系统算例时步-超越概率-负荷损失曲面图
在极端事件后的系统恢复过程中，输电元件存在再次跳闸的风险。在此背景下，本文提出了一种考虑韧性主动提升的网架重构策略，通过协调优化网架及负荷的恢复过程，使得系统重构兼顾快速性与稳健性。作为非常规风险下应急恢复的初步探索，算例结果验证了所提方法可以降低系统在遭遇次生故障时的失负荷量，使系统在动态复杂的恢复过程中持续保持较强的韧性水平。未来，将进一步针对自然灾害、蓄意攻击等极端事件的差异性，开展不同非常规风险场景下的新形态电力系统应急恢复与韧性提升方法研究。
引文信息
李少岩，赵汉广，顾雪平，等．考虑次生故障差异化影响下韧性主动提升的输电系统网架重构策略[J]．中国电机工程学报，2024，44(5)：1712-1726．
LI Shaoyan，ZHAO Hanguang，GU Xueping，et al．A novel transmission network reconfiguration strategy considering active improvement of system resilience under the differential influence of contingencies[J]．Proceedings of the CSEE，2024，44(5)：1712-1726(in Chinese)．
作者介绍
赵汉广，男，硕士，研究方向为电力系统的韧性恢复，现就职于国网雄安新区供电公司。E-mail：1765970311@qq.com。
李少岩，男，博士，副教授，硕士研究生导师，IEEE PES电力系统动态技术委员会（中国）电力系统恢复技术分委会秘书长、《电力系统保护与控制》《浙江电力》青年编委、《Protection and Control of Modern Power Systems》Associate Editor。从事新型能源电力系统的安全防御与恢复控制、韧性评估与主动提升等研究工作，作为负责人承担国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、河北省自然科学基金项目等纵向项目6项，企业委托科研项目10余项。近年来，以第一作者或通讯作者发表SCI/EI期刊论文20余篇，授权发明专利10余项。获河北省技术发明奖二等奖1项，云南电网科技进步一等奖1项，持燕赵英才服务卡A卡。E-mail：shaoyan.li@ncepu.edu.cn。
何剑，教授级高工，博士，主要从事电力系统非常规安全防御、电力系统安全稳定分析与控制、电力系统可靠性分析等方向的研究和工作。承担国家及国网公司科技项目20余项，发表SCI/EI收录论文50余篇，合作出版专著4部，参与编制国际、国家及行业标准5项，授权发明专利20项，获国家科技进步一等奖1项、行业和国网公司级科技奖励9项。E-mail：hejian@epri.sgcc.com.cn。
屠竞哲，教授级高工，博士，主要从事电力系统稳定分析与控制、电力系统安全防御等方向的研究工作。主持/参与国家级科研项目4项、国家电网公司科技项目20余项，负责10余项我国特高压交直流重大工程研究。发表SCI/EI检索论文42篇，其中第一作者论文26篇，授权国家发明专利15项，编制技术标准7项，参与编写专著2部，获得各级科技奖励16项。E-mail：tujingzhe@epri.sgcc.com.cn。
冀鲁豫，高级工程师，博士，主要从事电力系统非常规安全防御、电力系统稳定分析与控制等方向研究工作。参与国家级科研项目2项、国家电网公司科技项目10余项。发表SCI/EI检索论文10余篇。E-mail：jiluyu@epri.sgcc.com.cn。
制作：刘宇翔
责编：张 蕾
审核：李新洁
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